DE4334409A1 - Verfahren zum Legieren eines Werkstückes unter Einsatz von Laserstrahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstückes unter Einsatz von Laserstrahlung, wobei als Legierungselement im wesentlichen Kohlenstoff eingesetzt wird.

Beim Laserstrahllegieren mit Kohlenstoff als Legierungselement sind bislang zwei Möglichkeiten bekannt, wie der Kohlenstoff in die vom Laserstrahl erzeugte Schmelze eingebracht werden kann. Das Werkstück wird vor der Laserstrahlbearbeitung mit Graphit beschichtet oder der Kohlenstoff wird dem Schmelzgut gasförmig zugeführt.

Die Graphitbeschichtung wird zumeist manuell durch Graphitsprays oder durch das Aufbringen graphithaltiger Flüssigkeiten auf die Werkstückoberfläche aufgetragen. Die bekannten Beschichtungen weisen jedoch Nachteile auf. Bei aufgespritzten oder aufgestrichenen Graphitbeschichtungen sind nur mit sehr hohem Aufwand gleichbleibende Schichtdicken zu erzielen. Das Auftragen der Graphitbeschichtungen ist schwer automatisierbar. Darüber hinaus enthalten Spray und Flüssigkeit außer Graphit metallurgisch nicht erwünschte Begleitsubstanzen (beispielsweise die Haftfähigkeit erhöhende Zusätze), die das Bearbeitungsergebnis nachteilig beeinflussen. Die in Spray und Flüssigkeit enthaltenen Lösungsmittel führen außerdem zu Umweltbelastungen. Des weiteren wirkt sich nachteilig aus, daß sich die Entfernung nicht-bestrahlter Beschichtungen sehr aufwendig gestaltet. In industrieller Anwendung hat sich daher das Beschichten mit Graphit für das Laserstrahllegieren nicht durchsetzen können.

Das Laserstrahlegieren aus der Gasphase macht zunächst einmal eine aufwendige Gasführung erforderlich. Die mit diesem Verfahren einbringbare Menge an Kohlenstoff ist relativ gering. Probleme ergeben sich beim Laserstrahllegieren aufgrund von Verunreinigungen des Gases durch in den Gasstrahl eingewirbelte Luft. Ferner besteht ein Nachteil der Kohlenstoffzufuhr aus der Gasphase darin, daß der Kohlenstoff nicht in reiner Form, sondern als CO₂, C₂H₄ oder ähnlichen organischen Gasen verwendet werden muß. Wasserstoff und Sauerstoff in derartigen Mengen können aber die Qualität der Legierung negativ beeinflussen.

Die oben aufgezählten Verfahren sind beispielsweise bekannt aus

• - Laser Treatment of Materials, D. Müller, H.W. Bergmann, T. Endres und T. Heider, Seite 293 bis 298, herausgegeben von B.L. Mordike, DGM Informationsgesellschaft Verlag, und
• - Strahlwerkzeug Laser, Helmut Hügel, Seite 320 bis 326, B.G. Teubner Stuttgart 1992.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art aufzuzeigen, wobei beim Auftrag einer Kohlenstoff-Beschichtung eine gleichbleibende Schichtdicke der Beschichtung und damit ein gleichmäßiges Legieren sichergestellt, gleichzeitig aber die beschriebenen Nachteile der bekannten Verfahren vermieden werden sollen. Insbesondere sollen dabei unerwünschte Bestandteile von der Werkstückoberfläche ferngehalten werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein organisches, brennbares Gas oder Gasgemisch verbrannt wird, daß durch Anlagerung der bei der Verbrennung erzeugten Kohlenstoff-Partikel die Legierungsbeschichtung auf der Werkstückober­ fläche gebildet wird und daß der Kohlenstoff zumindestens teilweise in die vom Laserstrahl erzeugte Schmelze eingebracht und somit das Werkstück an den beschichteten und vom Laser bestrahlten Stellen legiert wird.

Die erfindungsgemäße Beschichtung von Werkstücken mit Kohlenstoff zu einem anderen Zweck ist aus einem nicht verwandten technischen Gebiet bekannt, nämlich aus der Glasindustrie. So wird beispielsweise in "Gaseanwendung in der Glasindustrie", LINDE-Berichte aus Technik und Wissenschaft, Nr. 65, 1990, Seiten 25 bis 34, ein Verfahren zur Beschichtung von Formen für die Hohlglasherstellung beschrieben, um eine rückstandsfreie Trennung von Form und Glas zu erreichen. Das Aufbringen einer Kohlenstoffbeschichtung unter der Bezeichnung CARBOFLAM® basiert auf dem Verbrennen einer Flamme aus Acetylen/Luft oder Acetylen/Sauerstoff. Überraschenderweise hat sich nun gezeigt, daß derartige Kohlenstoffbeschichtungen Vorteile für das Legieren von Werkstücken unter Einsatz von Laserstrahlung mit sich bringen.

Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens führt zum Auftrag einer gleichmäßigen Kohlenstoffschicht auf der zu beschichtenden Werkstückoberfläche. Die Kohlenstoffschicht wird dabei reproduzierbar erzeugt. Zusätzliche Vorteile ergeben sich dadurch, daß sich die Kohlenstoffschicht nach der Laserbearbeitung der Oberfläche des Werkstückes, die nicht mit dem Laser bearbeitet wurden, leicht wieder entfernen läßt. Die erfindungsgemäß aufgetragene Kohlenstoffschicht weist im Vergleich mit herkömmlichen Verfahren sehr geringe Verunreinigungen auf, so daß keine ungewollten Werkstoffveränderungen am Werkstück durch die Beschichtung für das Laserstrahllegieren auftreten. Insbesondere kann beim erfindungsgemäßen Verfahren mit einer flammaufgetragenen Legierungsschicht aus Kohlenstoff-Partikeln auf der Werkstückoberfläche auf den Einsatz von Lösungsmitteln und die Haftung erhöhende Zusätze verzichtet werden.

Mit Vorteil wird die Verbrennungsflamme des Brenngases oder Brenngasgemisches mittels eines Brenners auf die zu beschichtende Oberfläche gerichtet. Dadurch läßt sich eine konstante Schichtdicke der angelagerten Kohlenstoffschicht erzeugen, wobei die Beschichtung unabhängig von Lage und Geometrie des zu bearbeitenden Werk­ stückes erfolgt. Als Abstand zwischen Brenner und zu beschichtender Oberfläche des Werkstücks hat sich ein Wert zwischen 50 und 500 mm, vorzugsweise 50 bis 200 mm, bewährt.

Vorteilhafterweise wird als organisches, brennbares Gas (Brenngas) Acetylen eingesetzt, gegebenenfalls gemischt mit anderen organischen Brenngasen. Die bei der Verbrennung des organischen Brenngases erzeugten Kohlenstoff-Partikel enthalten außer Kohlenstoff bis zu 1 bis 3 Gew.-% Wasserstoff. Aus der Verbrennung von Acetylen gewonnene Kohlenstoffschichten zeichnen sich durch eine sehr hohe Reinheit aus. Sie bestehen zu über 99% aus reinem Kohlenstoff. Die durchschnittliche Teilchengröße liegt etwa bei 40 bis 50 nm, wobei die Partikelgröße in etwa von 5 bis 250 nm reicht. Die bei der Verbrennung des organischen Brenngases entstehenden Kohlenstoff-Partikel setzen sich aus einer großen Zahl kleiner Kristalle der Größe 2 bis 3 nm zusammen. Die Kristalle wiederum bestehen aus einer Reihe graphitischer Schichten, (in der Regel 3 bis 5 Schichten), die dann eine annähernde kugelige Form der Partikel bilden.

Die Kohlenstoffschicht wird durch die Flamme, in der sich die Kohlenstoff-Partikel bilden, direkt auf die zu beschichtende Oberfläche des Werkstückes aufgetragen. Die Flamme soll dabei straff, aber nicht turbulent brennen, da bei turbulenten Flammen Umgebungsluft eingewirbelt wird, was die Bildung der Kohlenstoff-Partikel negativ beeinflußt. Die Schichten selbst liegen parallel zueinander. Jede kann 30 Kohlenstoff- Sechserringe enthalten. Im Gegensatz zum Graphit sind die C-Sechserringe unregelmäßig gegeneinander verschoben. Auch die Gitterkonstanten der im erfindungsgemäßen Verfahren entstehenden Kohlenstoffkristalle unterscheiden sich wesentlich von denen für reines Graphit.

Die in einer reinen Acetylenflamme gebildeten Kohlenstoff-Partikel sind schwarz-braun. Damit besteht eine hohe Absorptionsfähigkeit der Beschichtung für die Laserstrahlung. Durch Verwendung eines Brenngasgemisches an Stelle des reinen organischen Brenngases kann die Haftfähigkeit, aber auch die Farbe der Kohlenstoff-Schicht beeinflußt werden. Dabei kann ein Brenngasgemisch verwendet werden, das neben dem organischen Brenngas ein Sauerstoff enthaltendes Gas wie Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder reinen Sauerstoff enthält. Ein Brenngasgemisch aus Acetylen und Sauerstoff bildet eine tiefschwarze und gut haftende Kohlenstoffschicht. Geeignet ist dabei ein Brenngasgemisch mit einem Sauerstoffanteil von 1 bis 5 Mol-%. Beim Einsatz eines Brenngasgemisches aus Acetylen und Luft entsteht eine dunkelgraue und gut haftende Kohlenstoffschicht. In Versuchen bewährt hat sich ein Brenngas­ gemisch, das zwischen 5 und 10 Vol.-% Luft enthält. Bevorzugt wird dabei ein Hüllstrombrenner eingesetzt, bei dem die Acetylenflamme von einem strömenden Luftmantel umhüllt und gestützt wird.

Das erfindungsgemäße Beschichten der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche kann räumlich und zeitlich getrennt vom Laserstrahllegieren in einem separaten Arbeitsschritt oder aber unmittelbar vor der Laserbearbeitung in einem integrierten Arbeitsschritt erfolgen. Im letzteren Fall kann ausgenützt werden, daß die Laserstrahlanlage zur Laserbearbeitung üblicherweise CNC-gesteuert (Computerized Numerical Control) ist. Mit Vorteil kann daher die Steuerung des Brenners mit der Steuerung der Laserbearbeitungsanlage gekoppelt werden, wobei die CNC auch die Steuerung des Brenners zur Kohlenstoff-Beschichtung übernimmt.

In Ausgestaltung der Erfindung wird ein an die Kontur des Werkstückes angepaßter Brenner verwendet. Dabei wird insbesondere die Form der Brenneröffnung variiert, beispielsweise durch runde, elliptische oder schlitzförmige Brenneröffnungen. Dadurch wird eine gleichmäßige und vollständige Beschichtung der mit dem Laser zu bearbeiteten Werkstückoberflächen sichergestellt.

Mittels Abdeckungen und Masken kann eine Beschichtung mit einer beliebigen geometrischen Form auf der Werkstückoberfläche erzielt werden. Damit läßt sich erreichen, daß nur die Flächen mit Kohlenstoff beschichtet werden, welche auch anschließend mit dem Laser bearbeitet werden. Da hierbei kein Kohlenstoff auf Werkstückoberflächen angelagert wird, die anschließend nicht mit dem Laser bearbeitet werden, kann eine Nacharbeitung des Werkstückes entfallen, in der die Werkstückoberfläche nach der Laserbearbeitung von der Kohlenstoffbeschichtung gereinigt wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier Figuren näher erläutert.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Schema eines Ausführungsbeispieles mit einer erfindungs­ gemäßen Beschichtung der Werkstückoberfläche und unmittelbar anschließendem Laserstrahllegieren und

Fig. 2 ein vereinfachtes Schema zur Integration des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Beschichtung aus Fig. 1 in einer Anlage zur Laserbearbeitung.

Äquivalente sind in Fig. 1 und Fig. 2 mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist ein Werkstück 1 abgebildet, dessen Werkstückoberfläche einer Legierung mit Kohlenstoff unterzogen werden soll. Acetylen 2 wird als Brenngas einem Brenner 3 zugeführt. Gleichzeitig wird als Sauerstoff enthaltendes Gas 4 Sauerstoff oder Luft in den Brenner 3 geleitet. Das so gebildete Brenngasgemisch verbrennt in den Flammen 5, wobei sich Kohlenstoff-Partikel bilden. Diese Kohlenstoff-Partikel werden über die Brennerflammen 5 auf die Werkstückoberfläche getragen und bilden eine Legierungsbeschichtung 6 auf der Werkstückoberfläche. Der fokussierte oder defokussierte Laserstrahl 7 trifft auf die beschichtete Werkstückoberfläche 6, wo ein Großteil seiner Energie aufgrund der Beschichtung 6 absorbiert wird. Dadurch wird das Werkstück im bestrahlten Bereich aufgeschmolzen. Aus dieser Bearbeitung ergibt sich nach der Abkühlung und Verfestigung ein legiertes metallisches Werkstück. Da das Werkstück durch den eingestellten Vorschub entsprechend der gezeigten Pfeilrichtung bewegt wird, resultiert aus der Beschichtung und Laserbestrahlung die bearbeitete und legierte Fläche 8.

Fig. 2 verdeutlicht die Integration der erfindungsgemäßen Beschichtung mit direkt anschließender Bearbeitung durch den Laserstrahl aus Fig. 1 in die Steuerung der Gesamtanlage. Vom Laser 9 wird die Laserstrahlung 7 über eine vereinfacht dargestellte Strahlführung 10 auf die beschichtete Werkstückoberfläche 6 geworfen. Der Laser 9 steht dabei in Wechselwirkung mit der Maschinensteuerung 11, welche wiederum, durch wechselseitige Pfeile symbolisiert, sowohl mit der Bearbeitungsanlage 12, als auch mit der Brennersteuerung 13 zusammenwirkt. Die Brennersteuerung 13 ist direkt mit dem Brenner 3 verbunden.

Sollte es bei der beispielhaft in Fig. 2 dargestellten Integration von Brenner in die Bearbeitungsanlage gewünscht oder erforderlich sein, daß die Kohlenstoff-Partikel bildende Flamme 5 nicht kontinuierlich Kohlenstoff-Partikel erzeugt und auf der Werkstückoberfläche anlagert, kann der Brenner 3 getaktet eingesetzt werden. In den Taktpausen, d. h. wenn die Kohlenstoff-Partikelbildung reduziert werden soll, kann im Brenngasgemisch der Anteil des Brenngases 2 verkleinert oder die Menge des zugegebenen sauerstoffhaltigen Gases 4 vergrößert werden.

Claims (10)

1. Verfahren zum Legieren eines Werkstückes unter Einsatz von Laserstrahlung, wobei als Legierungselement im wesentlichen Kohlenstoff eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein organisches, brennbares Gas oder Gasgemisch verbrannt wird, daß durch Anlagerung der bei der Verbrennung erzeugten Kohlenstoff-Partikel die Legierungsbeschichtung auf der Werkstückoberfläche gebildet wird und daß der Kohlenstoff zumindestens teilweise in die vom Laserstrahl erzeugte Schmelze eingebracht und somit das Werkstück an den beschichteten und vom Laser bestrahlten Stellen legiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungsflamme des Brenngases oder Brenngasgemisches mittels eines Brenners auf die zu beschichtende Oberfläche gerichtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abstand zwischen Brenner und zu beschichtender Werkstückoberfläche zwischen 50 und 500 mm, vorzugsweise zwischen 50 und 200 mm, eingestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als organisches, brennbares Gas Acetylen und/oder ein anderes organisches Brenngas eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Brenngasgemisch neben dem organischen Brenngas ein Sauerstoff enthaltendes Gas wie Luft, mit Sauerstoff angereicherte Luft oder reinen Sauerstoff enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Brenngasgemisch einen Sauerstoffanteil von 1 bis 5 Mol-% enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Brenngasgemisch zwischen 5 und 10 Vol.-% Luft enthält.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Brenners mit der Steuerung der Laserbearbeitungsanlage gekoppelt ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein an die Kontur des Werkstückes angepaßter Brenner verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mittels Abdeckungen und Masken eine Beschichtung mit einer bestimmten geometrischen Form auf der Werkstückoberfläche erzielt wird.